Kvarkteori

Kvarkteorien sier at hadronene, de sterkt vekselvirkende elementærpartiklene, har kvarker som byggestener. Kvarkene som selv er elementærpartikler, har den egenskapen at kreftene mellom dem øker med avstanden. Dette fører til at kvarkene ikke enkeltvis kan trekkes ut av de hadronene vi kan observere som frie partikler. Protoner og nøytroner er for eksempel bygget opp av tre kvarker hver og mesonene av en kvark og en antikvark. En kan ikke trekke en kvark ut av protonet; dersom en forsøkte dette, ville energien til slutt bli så stor at det ble dannet et kvark-antikvarkpar, og en står igjen med et meson og et proton eller nøytron.

De elementærpartiklene vi kan observere som frie partikler har alle en elektrisk ladning som er et heltallig, positivt eller negativt multiplum av elektronets elementærladning $e$. Men kvarkene har ladninger som er $\pm e/3$ og $\pm 2e/3$. De frie hadronenene er da bygget opp således at summen av ladningene til de kvarkene de består av, kun blir $0,\pm e,2e,$ osv.

Kreftene mellom kvarkene blir imidlertid svakere jo nærmere de kommer hverandre, og på meget korte avstander merker de nesten ikke noen krefter. Denne egenskapen kalles asymptotisk frihet. Ifølge Heisenbergs uskarphetsrelasjon tilsvarer korte avstander store verdier av kvarkenes mekaniske impuls. Det betyr at kvarkene i hadroner som beveger seg med en hastighet som nærmer seg lyshastigheten, vil bevege seg så å si uavhengig av hverandre og at frie kvarker derfor kan iakttas i forbindelse med slike høyhastighetshadroner. Det var dette som dannet grunnlaget for partonmodellen.

Murray Gell-Manns opprinnelige kvarkmodell hadde 3 kvarker, som hadde navnene «up», «down» og «sideways», eller $u$, $d$ og $s$. Senere ble ordet sideways byttet ut med strange eller sær der strangeness, dvs. særtall var et kvantetall som allerede var blitt brukt i andre sammenhenger.

Tidlig på 1970-tallet fant man ut at en fjerde kvark var nødvendig for å forklare visse prosesser. Denne ble kalt sjarmkvarken, og hadroner bestående av sjarmkvarker ble oppdaget i 1974. Siden har ytterligere to kvarker, kalt «beauty» eller «bottom» ($b$) og «top» ($t$), blitt oppdaget.